一體化鹵化物加速全固態電池工業化進程

中國工程院外籍院士、寧波東方理工大學講席教授孫學良團隊聯合美國馬里蘭大學、加拿大西安大略大學研究團隊，開發了一種低成本鐵基鹵化物材料，將正極活性材料、電解質和導電劑的功能集于一身，并展現出電極層面的“自修復”能力。這項工作有望解決全固態電池在能量密度、循環壽命和成本方面的關鍵瓶頸。6月25日，相關研究成果發表在《自然》。

全固態電池的正極設計面臨著嚴峻挑戰。傳統固態電池的正極通常是一個復雜的“復合體”，不僅包含負責儲能的活性材料，還摻雜了大量不儲存能量的“惰性”輔助成分，例如固體電解質和導電碳。盡管這些惰性材料對電池內部的離子和電子傳輸至關重要，但它們也帶來了很大的弊端，如能量密度與成本的雙重損耗、傳輸路徑受阻與性能衰減。

如何設計出一種固-固界面接觸良好，離子/電子傳輸快，且非活性成分極少的固態正極，是當前全固態電池領域面臨的重大挑戰。

科學家曾提出了“一體化”正極的概念——即用一種材料同時扮演活性材料、電解質和導電劑三種角色。但此前發現的候選材料或因成本過高，或因性能不佳，始終未能滿足實際應用的需求。

孫學良團隊及其合作者提出使用成本低廉的鐵基鹵化物作為正極材料，通過結構調控使其同時具有鋰離子和電子混合導電能力，以及穩定的Fe₂₊/Fe₃₊氧化還原電對，實現一體化電極設計。在充電過程中，材料會從一種堅硬的脆性狀態轉變為一種柔韌的延展狀態。這種動態的“脆韌轉變“能夠主動修復循環中產生的微觀裂紋和空隙，為固態電極賦予了自我愈合的能力，助力實現超長循環壽命。這一獨特的自修復行為源于材料在充放電過程中發生的局部鐵離子可逆遷移以及材料熔點的變化。正是這種動態特性，使得該“一體化”正極表現出卓越的穩定性。實驗數據顯示，在不含任何額外導電劑和固體電解質的情況下，該電極在5C的高倍率下循環3000次后，容量保持率約為90%。除了超長的壽命，該材料的能量密度也十分出色。

孫學良表示，這種一體化鹵化物材料不僅簡化了電池制造工藝，更重要的是，它提供了一種可持續且經濟高效的解決方案，有望加速全固態電池從實驗室走向大規模工業化應用，例如電動汽車和大規模電網儲能。研究團隊下一步計劃優化材料的合成工藝以適應大規模生產，并進一步探索其在更高負載和更嚴苛條件下的性能極限。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1